埋地燃氣管道管內負壓條件下承壓能力研究

1 概述

隨著綠色經濟、低碳經濟逐漸成為全世界共同關注的主題，各國對甲烷的排放越來越重視

。2018年，多家全球知名油氣產業集團在華盛頓簽署了全球能源行業應對氣候變化的《天然氣行業全價值鏈甲烷減排指導原則》

，承諾進一步減少運營天然氣設施的甲烷排放。2019年我國生態環境部發布《關于進一步加強石油天然氣行業環境影響評價管理的通知》，提出加強油氣行業甲烷及揮發性有機物的泄漏檢測

。

水禽景觀和水產景觀是多姿的景觀，具有動態的美。安徽沿淮濕地的珍稀水禽以鸛類、鶴類、雁類為主，是國家一、二級保護對象，在八里河、瓦埠湖、沱湖、焦崗湖等湖泊濕地，每年有數千珍稀水禽來此越冬，成群的白鶴、黑鸛、灰鶴、鴛鴦、鴻雁在湖泊濕地的上空翱翔，景色十分壯觀。安徽沿淮漁業發達，可以組織養殖、捕撈等漁業生產活動，還可品嘗到新鮮的沱湖螃蟹、大青蝦、鱖魚的美味。

量子力學哥本哈根學派的另外一位代表人物海森堡(Werner Heisenberg，1901-1976)也曾指出，東方傳統中的哲學思想與量子力學的哲學本質之間，有著某種確定的聯系。

我國城市燃氣行業一直在燃氣管網運行各環節積極推進甲烷減排。近年來，燃氣管網運行中開孔封堵、泄漏檢測、防腐層檢測、放散氣體回收等技術的應用都取得了顯著的成績，一定程度上減少了甲烷的排放量

。

然而，在燃氣輸配系統的置換作業中，傳統的作業方法需要約1.5倍管存天然氣，既浪費了天然氣資源，又增加了甲烷排放。如果能將管道內需要置換的氣體抽空，可大大減少天然氣的消耗，從而達到節能減排的目的。本文從管道承壓能力角度，分析埋地管道在管內抽真空狀態下的承壓能力，從而驗證燃氣管道抽真空置換方法的可行性。

2 負壓條件下埋地管道的載荷特征分析

③ 車輛載荷參數

在離北極1000公里左右的永久冰川凍土層里，有世界上目前最引人注目的種子庫——挪威斯瓦爾巴特種子庫。人們稱其為“種子方舟”，建立10年間已收集超過100萬種種子。英國皇家植物園邱園有一座美麗的千年種子庫，在那里，植物種子的保存條件是零下20℃，保存時間標準為80年至120年。在中國云南，從2004年開始，由中國科學院主導建立的中國西南野生生物種質資源庫迅速壯大，成為亞洲最大的種子庫，躋身世界三大種子庫之列。

地面外載荷使管道產生彎曲應力，引起管道橫截面發生橢圓化變形，過大的變形也會導致管道結構性破壞

，影響管道正常使用。為保證管道在外載荷作用下的安全，必須控制管道的變形量。

3 埋地管道有限元模型建立

為研究埋地管道在受地面外載荷和管內負壓情況下的應力和變形情況，選取3種常見管材及規格的管道作為研究對象，采用有限元軟件建立受力情況下的埋地管道有限元模型，計算分析管道的應力及變形情況。

① 管材參數

② 地基土體參數

采用完全隨機排列，不設重復。試驗共設10個小區，小區面積108平方米，長30米，寬3.6米，每個小區3個廂面，每個廂面種2行共6行，行距寬行0.7米，窄行0.5米，株距0.27米，畝栽4100株，單株留苗。四周設保護行，中間不留過道。成熟時實收測產。

本文選用3種具有代表性的管材作為研究對象，管材參數見表1。文獻[7]表明：由土載荷和車輛載荷組成的管道外載荷對不同埋深的管道影響差別不大。因此，在本文研究中，不以埋深作為研究對象，統一將管道管頂埋深(管頂到地面的距離)設定為1.2 m。

正常運行的燃氣管道內部為正壓，正壓引起管道發生均勻的膨脹變形，此時，內壓使管道產生環向拉應力

。對管道抽真空時，管內的壓力為負壓，負壓引起管道發生環向均勻收縮，此時，內壓使管道產生環向壓應力。當環向應力超過材料的許用應力時，管道會因喪失承載能力而發生結構性破壞。

綜上所述，輔助生育在孕前使用促排卵藥物以及孕期用藥情況對產篩指標的影響尚不完全明確，需更大樣本的研究以獲得此類特殊人群各項血清學產前篩查指標的參考范圍，通過調整多來源標本（如輔助生育標本）的偏倚才能為產前篩查提供更準確的風險評估以及更有效地保障篩查檢測質量。此外，輔助生育孕母因受孕方式與自然妊娠不同或潛在的不孕背景、移植技術操作、促排卵等可能會引起其子代的不良圍產結局［1-2］。必要的產前篩查及產前診斷仍將有利于改善輔助生育子代圍產結局。

埋地燃氣管道會受到多種載荷的共同作用，主要受到管道內壓和地面外載荷的聯合作用，其中內壓分為正壓和負壓，地面外載荷主要包括地面車輛載荷和土載荷。在管道正常通氣情況下，埋地管道內壓為正壓；當管道內氣體被抽空時，埋地管道內壓為負壓。負壓條件下埋地管道載荷特征見圖1。

土體對埋地管道而言，既產生作用載荷，又是傳遞各種載荷的介質，外載荷對埋地管道的影響也是通過管周土體的傳遞和管-土相互作用并最終以土壓力的形式作用在管道上。因此，有限元的建模不能忽視管-土相互作用

。

④ 有限元模型建立

地基土體是一個無限空間體，可截取一定范圍作為研究對象。截取范圍過大，計算工作量會急劇增大

；截取范圍過小，則由于邊界效應，計算結果不準確。本文地基土體尺寸(長×寬×高)取15 m×20 m×10 m。設置的土壤性能參數見表2。

GB 50332—2002《給水排水工程管道結構設計規范》規定了不同汽車類型的標準載荷。其中55 t型汽車的后軸重力最大，后軸有兩個，每個軸重力為140 kN，每個軸有兩個輪子，單個輪子著地尺寸為0.6 m×0.2 m，后軸的單輪重力為70 kN，單輪壓力為0.585 MPa。下文研究中均以55 t型汽車后軸的單輪壓力作用于管道上方開展研究。

將車輛載荷視為均布靜載荷，作用在地基土體上方，由地基土體傳遞到管頂。地基土體采用擴展的Drucker-Prager模型，管道采用Ramberg-Osgood本構模型。接觸模型中，法向定義為硬接觸，管土接觸后允許分離，切向接觸采用罰函數定義。網格劃分采用三維的20節點六面體二次減縮積分單元(C3D20R)。假定汽車行駛方向垂直于管道軸向，俯視圖見圖2。

管道軸向中心線和垂直管道軸向的中心線將圖2劃分成對稱的4部分。由于幾何及載荷的對稱性，為降低計算成本，取1/4模型(稱為選中部分)進行分析，簡化后的1/4模型結構見圖3。根據經驗，其余部分的輪子對選中部分的管道影響不大。土體與管道的有限元應力云圖見圖4。

王婆的尖腳亂踏著地面作響一陣，人們聽一聽，沒聽到燈罩的響聲，知道日本兵沒有來，同時人們感到嚴重的氣氛。李青山的計劃嚴重著發表。

4 埋地管道在負壓條件下承壓能力分析

為研究負壓對埋地管道的影響，分別建立了X70、X52和Q235這3種鋼級的無缺陷管道及含缺陷管道在受到外載荷聯合作用(管道內絕對壓力為0)、外載荷單獨作用(管道壓力為0)時的12組有限元模型。計算工況為55 t型汽車后軸的單輪壓力作用于管道上方，圖2所示輪胎中心線之間距離為1.8 m，管道管頂埋深1.2 m。管道缺陷尺寸為角度30°，長度為20 mm，深度為壁厚的25%，缺陷長度是沿管道軸向，深度是沿壁厚方向，角度見圖5中的

。考慮最不利情況，缺陷位于車輪正下方的管頂。模擬了負壓條件(全真空狀態)的管道在受到外載荷聯合作用時的管道變形及應力狀態，并與外載荷單獨作用時的管道變形和應力相比較，結果見表3。

由表3可以看出：當管內全真空狀態時，即管道內絕對壓力為0時，負壓對管道應力及變形的影響很小，沒有對管道造成很大的安全威脅。管材鋼級越高，受同樣載荷時，引起的應力及形變越小，即管道的承壓能力越強。含缺陷管道受到載荷時，管道的應力及變形有一定程度增大，即缺陷會使管道的承壓能力有一定程度減弱。

5 結論

當管內全真空狀態時，即管道內絕對壓力為0時，負壓對管道應力及變形的影響較小，沒有對管道造成安全威脅，驗證了抽真空置換方法的可行性。

建議今后從設備最大抽真空能力、現場作業的可行性和經濟效益分析3方面繼續開展適用性研究工作。

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